電圧駆動による安定な磁気情報書き込みの新技術を開発

超低消費電力な不揮発性メモリーMRAMの実現へ

ポイント

・非磁性体薄膜を2層の強磁性体薄膜で挟んだ構造（人工反強磁性体）の制御された界面に対して電圧をかけることで、広いパルス幅領域で磁気情報を安定に書き込むことに成功

・電圧駆動型MRAM（不揮発性磁気メモリー）の大容量化に道筋

・記憶保持および書き込み動作ともに超低消費電力化でき、情報機器の省エネルギー化に貢献

概要　

国立研究開発法人産業技術総合研究所（以下「産総研」という）ハイブリッド機能集積研究部門中山裕康主任研究員、野﨑隆行研究グループ付、山路俊樹主任研究員、野崎友大研究グループ長、今村裕志研究グループ付、エレクトロニクス・製造領域湯浅新治上級首席研究員は、電圧駆動型MRAM（Magnetoresistive RAM; 不揮発性磁気メモリー）の大容量化を可能とする新たな磁気情報書き込み方式として利用できる新技術「電圧誘起スタティック磁化反転法」を開発し、その動作を実験的に観測することに成功しました。

不揮発性メモリーは、電源を切っても情報が保持されるため待機電力がゼロであり、情報機器の省エネルギー化に大きく貢献できると期待されています。中でも、電子のスピン状態を制御するMRAMは、演算チップへの集積化に適しており、情報の読み書きが非常に高速かつ放射線や温度などの環境に対する堅牢（けんろう）性に優れた不揮発性メモリーの方式の一つです。しかし、現行のMRAMでは情報を安定に制御するために大きな電流が必要で、書き込み時の消費電力の増大が課題となっていました。一方、現在開発が進められている電圧駆動型MRAMでは、低消費電力での書き込みが可能なものの、電圧による書き込みには高精密な高速電圧パルスの生成が必要であり、書き込み電圧のわずかな変化によって書き込みエラーが生じるという問題を抱えていました。また、素子の特性のばらつきによって最適な書き込み電圧パルス幅が素子ごとに異なるため、従来の書き込み方法では、電圧駆動型MRAMの安定な動作や大容量化は困難でした。

今回産総研では、非磁性体薄膜を強磁性体（金属磁石）薄膜2層で挟んだサンドイッチ構造をもつ「人工反強磁性体」を用いて、強磁性体薄膜の磁化（N極－S極の向き、これが情報の０と1に対応する）が向きやすい方向を電圧によって制御する技術を開発しました。また、印加する電圧の符号によって双方向に磁気情報を書き込むことができ、書き込み電圧のパルス幅が変化しても安定して書き込みができることも実証しました。この技術は、情報書き込みを低消費電力かつ安定で制御性良く実現できるため、将来の大容量不揮発性磁気メモリーへの応用が期待されます。

なお、この研究成果の詳細は、2026年4月3日に「Nature Materials」に掲載されます。

下線部は【用語解説】参照

開発の社会的背景

人工知能（AI）やモノのインターネット（IoT）の技術の普及により、社会全体で扱う情報量は急速に増加しており、それに伴って情報の一時的な保持や処理のために消費される電力が増大の一途をたどっています。そのため、持続可能な社会の実現に向けて、コンピューターをはじめとする情報機器のさらなる省エネルギー化は重要な課題となっています。情報機器内において一時的な情報の蓄積場所としての役割を担う素子には、情報の保持のために電力が必要な揮発性メモリーと、電源を切っても情報が失われない不揮発性メモリーがあります。不揮発性メモリーは本質的に情報の保持に電力を必要としないため、一般的に揮発性メモリーよりも省エネルギーであるとされています。コンピューターの基本部品である「半導体メモリー」の中でも代表的なものがSRAM（Static RAM; スタティックランダムアクセスメモリー）です。SRAMは情報書き込みが非常に高速かつ低消費電力で、書き換え回数に事実上の制限がないという優れた特性をもちますが、揮発性メモリーであるため待機時にも電力を消費することが問題となっています。

これに対して、MRAMは電子のスピン（磁性の起源となる電子の性質）状態を利用することで情報を保持する不揮発性メモリーです。MRAMは演算チップへの集積が容易であり、読み書き速度が高速で、放射線や高温など過酷な環境に対しても高い耐性を示します。一方で、STT-MRAMとも呼ばれる現行のMRAMでは情報の書き込みには電流を用いる方式が使われており、その結果、SRAMと比較すると書き込み時の消費電力が大きく、その低減技術の開発が重要な研究課題となっていました。

研究の経緯

産総研では電子の持つスピンの性質を利用する技術「スピントロニクス」を活用し、電流ではなく電圧で電子のスピン状態を制御して情報を書き込む電圧書き込み方式（VC方式）のMRAMを提案し、研究開発を行ってきました（2016 年12月5日産総研プレス発表）。この方式を用いることで、待機中の電力だけでなく書き込み時の消費電力も大幅に減らすことができるため、より省エネルギーなメモリー素子の実現が期待されています。さらに、産総研では界面制御によって制御効率を向上できることも実証しています（2017 年12月1日産総研プレス発表）。しかし、従来手法である電圧磁気異方性制御（VCMA）効果を活用した「電圧誘起ダイナミック磁化反転法」では、図1のように、安定した書き込みができる電圧パルス幅領域は非常に限られており、１ナノ秒（10億分の１秒）程度というごく限られた特定のパルス幅をもつ電圧パルスを使ってスピンを反転させる必要があることから、書き込み電圧パルスのわずかな変化や素子の特性のばらつきの影響を受けやすく、書き込みエラーが起きやすいという問題がありました。メモリー応用を目指すためには10−6を下回る低い書き込みエラー率（書き込み試行回数に対して、書き込みエラーが起きる割合）を達成することが必要であり、大容量メモリーを安定に動作させるためには、広いパルス幅領域にわたって安定した書き込みを可能とする新たな技術の開発が求められていました。

今回、「人工反強磁性体」と呼ばれる磁気的な構造を導入し、強磁性体（金属磁石）薄膜の磁気異方性を電圧によって制御する技術により、書き込み時の消費電力を低減するとともに、メモリー素子の大容量化や安定した動作にもつながる新しいタイプの電圧駆動型MRAMの書き込み方式「電圧誘起スタティック磁化反転法」を開発しました。この方法では、従来よりも長い電圧パルス幅での書き込みが可能であるだけでなく、幅広い電圧パルス幅領域において安定した書き込みができるという特徴があります。

なお、本研究成果は、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業さきがけ「新原理デバイス創成のためのナノマテリアル」（研究総括：理化学研究所岩佐義宏創発物性科学研究センター副センター長）における研究課題「磁性超薄膜界面を用いた革新的電圧スピン制御デバイス技術の開発」（JPMJPR23H6）およびNEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）の推進する委託業務「高効率・高速処理を可能とするAIチップ・次世代コンピューティングの技術開発／次世代コンピューティング技術の開発／電圧駆動不揮発性メモリを用いた超省電力ブレインモルフィックシステムの研究開発」（JPNP16007）により得られました。

研究の内容

今回開発した電圧誘起スタティック磁化反転法では、界面制御によって膜面垂直方向に自発磁化を形成した磁性体超薄膜に電圧をかけて、その垂直磁化を反転させることで磁気情報を書き込みます。概要図および図2（左）に今回作製した素子の概念図を示します。これまでの強磁性体（金属磁石）薄膜における電圧による磁化制御に関する研究では、情報記憶を担う強磁性体層（記憶層）として厚さ1ナノメートル（10億分の1メートル）程度の単層の強磁性体が用いられてきましたが、今回、その代わりに「人工反強磁性体」という特殊な構造を導入しました。これは、二つの強磁性体薄膜の間にナノメートルスケールの厚さをもった中間層を挟むことで生まれる強磁性体層間の磁気的な結びつき「磁性層間結合」を利用した構造です。この結合エネルギーが負の値を示す場合、二つの磁化方向が反平行になり、人工反強磁性体が形成されます。この人工反強磁性体に絶縁体層を介して電圧をかけると、実験的に観測される磁性層間結合の大きさが変わり、図2（右）のように固定磁界中において磁化配置（平行・反平行）を制御できることが分かりました。詳細な比較実験と理論的な解析の結果、この変化は電圧をかけられた側の強磁性体の「垂直磁気異方性」が変わることによって起きていることが明らかになりました。つまり、電圧で磁性層間の結びつきを間接的にコントロールできるということです。さらに図2（右）をみると、書き込み電圧の符号によって、書き込み電圧がゼロの状態で2種類の値をとることが確認できます。これは、従来の方法では書き込み電圧として片側の符号しか使えず、事前に磁化状態を確認するプロセスが必要であったこととは大きく異なる点で、高速化、低消費電力化に貢献します。

この電圧書き込み手法の優位性を確かめるため、従来の電圧誘起ダイナミック磁化反転法では用いることのできなかった数十ナノ秒という長いパルス幅での書き込みを試みました。図3（左）は電圧パルス幅を75ナノ秒に設定し、正電圧パルスと負電圧パルスを交互にかけた際の強磁性体薄膜における磁化変化量の測定結果を示しています。この結果から、電圧パルスにより高い再現性で磁化を制御できることがわかりました。また、図3（右）には、電圧パルス幅を変化させた場合の磁化変化量の測定結果を示しています。今回開発した「電圧誘起スタティック磁化反転法」では、通常は高速書き込みを行うことが難しい10マイクロメートル（10万分の1メートル）という大きなサイズの素子であるにもかかわらず、50ナノ秒での高速な書き込みができ、さらに、50ナノ秒より長いパルス幅の電圧パルスをかけた場合も安定して磁化を制御できることが実験的に明らかになりました。ワーキングメモリーではより高速な書き込み時間が求められますが、理論解析の結果、この方法では素子を100ナノメートル以下まで微細化すれば、パルス幅1ナノ秒程度の高速電圧パルスによる書き込みも可能であり、メモリーへの応用において有望であることが分かりました。

もう一つの特徴は、書き込みを行う強磁性体層における「磁気摩擦」（磁気緩和）が大きいほど、より高速な書き込みができるということです。従来は磁気摩擦が大きい材料は利用できませんでしたが、この方法では磁気摩擦が大きいことは逆にメリットとなります。そのため、電圧制御の高効率化に有効であるものの、磁気摩擦が大きいためにこれまで使われてこなかった重金属材料を積極的に利用でき、新しいデバイス構造や材料の設計にもつながります。

今回開発した「電圧誘起スタティック磁化反転法」によって、幅広いパルス幅の条件で安定した磁気情報の書き込みができる新しい電圧駆動方式を実現しました。従来の方法（電圧誘起ダイナミック磁化反転法）では難しかった、より大容量な磁気メモリーの電圧書き込み技術へと発展することが期待されます。

今後の予定

今後は、実デバイスへの適用に向けて、さらなる低電圧化および外部磁界不要での動作を可能とする磁性材料、絶縁体材料およびそれらの積層構造の探索を進める予定です。

論文情報

掲載誌：Nature Materials

タイトル：Static magnetization switching in an artificial antiferromagnetic multilayer driven by a voltage-controlled magnetic anisotropy effect

著者名：Hiroyasu Nakayama, Takayuki Nozaki, Toshiki Yamaji, Tomohiro Nozaki, Hiroshi Imamura, Shinji Yuasa

DOI：10.1038/s41563-026-02575-w

用語解説

MRAM、電圧駆動型MRAM

MRAMは、強磁性体（金属磁石）を記憶素子として使った不揮発性メモリーである。MRAMにおける記憶情報の書き込み方法には、磁界を使う方法、電流を使う方法、電圧（電界）を使う方法がある。現行のMRAMはスピン移行トルク（STT）方式の「STT-MRAM」と呼ばれるもので、電流によって書き込みが行われる。一方で、電圧で記憶情報の書き込みを行う「電圧駆動型MRAM」は研究開発段階にあるが、STT方式と比べて消費電力を大幅に低減できるため、超低消費電力な次世代の不揮発性磁気メモリー技術として期待されている。

不揮発性メモリー

電源を切っても記憶情報が保持されるメモリー。現在使われている半導体メモリーであるDRAMやSRAMは「揮発性メモリー」であり、電源を切ると記憶情報が失われるため、待機時でもリフレッシュ動作やリーク電流によって電力を消費する。そのため、待機時に電力を消費しない「不揮発性メモリー」が注目されている。不揮発性メモリーとして、MRAM以外にも抵抗変化メモリー（ReRAM）、相変化メモリー（PCRAM）、強誘電体メモリー（FeRAM）などさまざまな方式があり、それぞれの特徴を生かした応用分野や用途の検討が進められている。その中でMRAMは、演算チップへの集積化が容易かつ書き換え可能回数に制限がないという特徴を有している。

人工反強磁性体、磁性層間結合

二つの強磁性体（金属磁石）薄膜の間に、磁性を持たない中間層（非磁性体薄膜）をナノメートルスケールの厚さで挟んだ時（下図）、二つの強磁性体のもつ自発磁化が同じ方向にそろう相互作用が働くか、逆方向になる相互作用が働くかが中間層の膜厚に応じて変化する現象が生じる。これは量子効果で、「磁性層間結合」と呼ばれる。この仕組みを使うと、人工的に二つの強磁性体の磁化配置が逆向きになる構造である「人工反強磁性体」を作ることができる。この人工反強磁性体にかける磁界を少しずつ強くしていくと、二つの強磁性体の磁化の向きが逆向きから同じ向きに切り替わる。この時の磁界の強さを交換結合磁界という。これは、人工反強磁性体における磁性層間結合の強さを示す指標となる。

電圧磁気異方性制御（VCMA）効果

磁気異方性は通常、結晶構造や強磁性体の形状などに起因した材料に固有のものだが、強磁性体超薄膜に対して電圧をかけると磁気異方性が変化する現象が2009年に発見された。この現象は「電圧磁気異方性制御（VCMA）効果」と呼ばれている。さらに2012年には、この効果を使ってパルス電圧で磁化を高速に切り替える方法「電圧誘起ダイナミック磁化反転法」が開発され、低消費電力な磁気情報書き込み技術として注目されている。

垂直磁気異方性

強磁性体（磁石）中では、磁化が向きやすい方向と向きにくい方向がある。これを「磁気異方性」という。特に、薄膜の膜面垂直方向に磁化が向きやすい異方性を「垂直磁気異方性（PMA）」と呼ぶ。ゼロ磁界下で垂直磁化をもつ強磁性体薄膜の磁化状態はエネルギー的に下図のような形で記述され、磁化反転を起こすためには、エネルギー障壁に相当する垂直磁気異方性エネルギーを超える必要がある。垂直磁気異方性により優れた記憶保持性能が得られ、また記憶層の体積を小さくできることから、ハードディスクやMRAMの大容量化に利用されている。

磁気摩擦

磁化の運動に対する摩擦の作用の大きさを表す。振り子運動の摩擦に相当し、運動の減衰の強さを示すものである。磁気ダンピング（磁気緩和）あるいはギルバートダンピング（ギルバート緩和）とも呼ばれる。

プレスリリースURL

https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2026/pr20260403_2/pr20260403_2.html